基于wifi的无线组网技术.doc

基于WIFI的无线网状（Mesh）组网技术 摘要: 目前, 无线局域网由于相对有线网络的众多优点受到广泛应用, 其中WiFi 因 高效的工作能力而受到热捧, 但是WiFi 由于支持范围有限, 使得它的发展受到一定程度的限制, 这里对该问题进行了研究。在不添加有线基础设施、扩大成本的情况下, 考虑将网上的无线设备作路由器使用, 对数据进行不断转发, 通过多个无线跳来进行组网, 即利用无线网状( Mesh） 组网技术, 在低成本的条件下, 大大的扩展无线信号的覆盖范围。考虑到无线网状组网技术在当前市场上的应用,其业务支持能力和性能方面的优势, 证明了想法提出的合理性机可行性。基于WiFi的无线网状（Mesh）组网技术不仅具有WiFi本身 的优势, 还解决了W iFi 的覆盖范围小的问题, 因此会有广泛的应用空间和很好的发展前景。 关键词: 无线网状网络;无线局域网;WiFi;无线跳 1WiFi技术的探讨与研究WIFI全称Wireless Fidelity，意思是无线保真技术。又称802.11b 标准，该技术使用的是2.4GHz附近的频段。它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为：速度快，可靠性情况高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与有线以太网络整合，组网的成本更低。同时它还能与已有的各种 802.11 DSSS 设备良好的兼容。 1.1 WIFI 现状及特点 WIFI 无线宽带计入技术有以下几个特点： （1）WIFI 的覆盖半径可达 300 英尺左右，约合 100 米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。（2）传输速度快，虽然有时WIFI 传输的无线通信质量不是很好，但传输速率比较快，可以达到11 Mbps，如果无线网卡使用的标准不同的话，WIFI 的速度也会有所不同。（3）建网成本低：只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员比较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。（4）更健康更安全：IEEE802.11 实际发射功率约 6070 毫瓦,而手机的发射功率约 200 毫瓦至 1 瓦间，手持式对讲机高达 5 瓦,而且 WIFI 无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，对人体的辐射较小，使用起来应该是绝对安全的。1.2 WIFI 技术剖析1.2.1 WIFI 的网络构成。站点（Station），网络最基本的组成部分。基本服务单元（Basic Service Set，BSS）。网络最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成。站点可以动态的连接（associate）到基本服务单元中。 分配系统（Distribution System，DS）。分配系统用于连接不同的基本服务单元。分配系统使用的媒介（Medium）逻辑上和基本服务单元使用的媒介是截然分开的，尽管它们物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。接入点（Acess Point，AP）。接入点既有普通站点的身份，又有介绍如到分配系统的功能。扩展服务单元（Extended Service Set，ESS）。由分配系统和基本服务单元组合而成。这种组合是逻辑上，并非物理上的。不同的基本服务单元物有可能在地理位置相去甚远。分配系统也可以使用各种各样的技术。关口（Portal），也是一个逻辑成分。用于将无线局域网和有线局域网或其 的补充。1.2.2 WIFI 组建方法 WIFI 是指由 AP（ Access Point）和无线网卡组成的无线网络。AP 一般称为网络桥接器或接入点，它主要在媒体存取控制层 MAC 中扮演无线工作站与有线局域网络的桥梁。具体链接如图 1 所示。 有线宽带网络（ADSL、小区LAN 等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网 。如果在网络建设完备的情况下，802.11b 的真实工作距离能达到100 米以上，而且还减 少了高速移动时数据的纠错问题、误码问题，WIFI 设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证也能得到很好的解决。1.3 WIFI 与 WIMAX 技术的比较 WIMAX 是英文 World Interoperability for Microwave Access的缩写。采用 802.16x 标准。主要工作在 2-11G 的频段范围内，信号绕过障碍的能力得到提高，目前已经可以支持非视距传输，意味着在基站和客户端之间可以有树木或者建筑物的阻挡与 WIFI 相比, WIMAX 具有更远的传输距离、更宽的频段选择以及更高的接入速度等等，WIFI 主要是解决 100 米内的无线接入问题，是属于 WLAN（无线局域网）的范畴。因此有人认为 WIMAX 将取代 3G，成为下一代通讯的主流技术。各种标准之间的发展关系如图 2。1.4 WIFI未来的发展方向近几年，随着无线 AP 数量的迅猛增长、低廉的价格以及无线网络的方便与高效使 WIFI 得到了迅速的普及。WIFI 的无线地位将会日益牢固。但 WIFI 技术的商用却碰到了许多困难。一方面是受制于 WIFI 技术自身的限制，比如其漫游性、安全性和如何计费等都还没有得到妥善的解决。另一方面，由于 WIFI 的赢利模式不明确，将其作为单一网络来经营，商业用户的不足会使网络建设出现高投资低收益，因此会影响电信运营商的积极性。但从以往的经验来看，只有各种接入手段相互补充使用才能带来更高的经济性、可靠性和有效性。因此运营商们可以将其应定位于以下几个方面：高速有线接入技术的补充。蜂窝移动通信的补充。未来还可以作为在特定的区域 3G 的重要补充。 1.4.1 高速有线接入技术的补充。 目前，有线接入技术主要包括以太网、xDSL 等。WIFI 技术作为高速有线接入技术的补充，具有为可移动性、价格低廉的优点，WIFI 技术广泛应用于有线接入需无线延伸的领域，如临时会场等。由于数据速率、覆盖范围和可靠性的差异，WIFI 技术在宽带应用上将作为高速有线接入技术的补充。1.4.2 蜂窝移动通信的补充。WIFI 技术可定位为蜂窝移动通信的补充。蜂窝移动通信有广覆盖、高移动性等优点但传输速率较低，它可以利用 WIFI 高速数据传输的特点弥补自己数据传输速率受限的不足。而 WIFI 不仅可利用蜂窝移动通信网络完善的鉴权与计费机制，而且可结合蜂窝移动通信网络广覆盖的特点进行多接入切换功能。这样就可实现 WIFI 与蜂窝移动通信的融合，进一步扩大其业务量。1.4.3 WIFI 是现有通信系统的补充，可看作是 3G 的一种补充。 目前WIFI 接入服务除了上网、接收 email 等应用之外，并未出现对使用者而言具有独占性、迫切性、必要性之应用服务，这也是它难以大量吸引用户族群的原因。百年来通信发展的历史证明，使用一种包办所有功能的通信系统是不可取的，各种接入手段的混合使用才能带来经济性、可靠性和有效性的同时提高。 2.无线Mesh 组网技术 无线网状网络 ( Wireless M esh Netw ork, WMN)作为一种新兴的组网技术, 在近两年迅速引起业界的关注。与很多新技术出现的背景类似,WMN的出现是应 用需求直接推动的结果。首先, 无线局域网(WLAN）的快速发展为企业和公众带来了极大的通信自由。WiFi( Wireless fidelity）作为第一个被广泛推广的高速WLAN技术,包括已经批准的IEEE 802. 11a, b, g 和n 等规范 , 由于其提高工作效率的能力而受到追捧,并在全球得到广泛部署。然而, WiFi 能够支持的范围非常有限:用户只有保持在距离无线接入点设备（AP）300英尺的范围内才能实现高速连接。因此如果想把WiFi 的服务模式变成无所不在的覆盖, 其成本将高得可怕。那么, 能不能将网上的无线设备作为路由器使用，对数据进行不断转发，直至把它们送至目的地, 从而把接入点的覆盖服务延伸到几英里甚至更远, 这就是提出无线Mesh 组网技术的基本思路, 即通过多个无线跳来进行组网( WiFi 只使用一跳 ）, 从而能在不添加有线基础设施的情况下, 大大延展无线信号的覆盖范围。因此, 无线Mesh网络是一种非常适合于覆盖大面积开放区域( 包括室外和室内的无线区域网络解决方案, 其特点在于: 由包括一组呈网状分布的无线AP构成, AP 均采用点对点方式通过无线中继链路互联, 将WiFi 中的无线“热点” 扩展为真正大面积覆盖的无线“热区” 。这种结构带来的好处包括: 自配置: 即WMN中AP 具备自动配置和集中管理能力, 简化了网络的管理维护 ; 自愈合: 即AP 能够自动发现和动态路由连接, 消除单点故障对业务的影响, 提供冗余路径; 兼容性: 即如果采用标准的IEEE802. 11b/ g制式,则可广泛的兼容无线客户终端；连通性: 即采用M esh 结构的系统, 信号能够避开障碍物的干扰, 使信号传送畅通无阻, 消除盲区。所以, 最适合部署无线Mesh网络的环境为: 大学园区、体育场馆、临时应急通信（如大型灾难的就在现场）等。 3.基于WiFi 的无线网状网络 无线局域网( WLAN） 的基本结构是两个无线设备之间点对点或者点对多点的通信。在点对点模式中, 无线连接取代了通信电缆, 而且在两个终端距离较近时可以进行可靠的数据传输。在点对多点模式下, 系统有一个中央管理单元AP , 所有的信号都被汇聚到该接入点中, 因此无线网络的可靠性依赖于AP 和终端之间射频率频连接的质量。无线Mesh 网络的通信模式与上述点对点或者点对多点通信模式是完全不同的。如前所述, WMN 是一种基于多跳路由、对等网络等技术的高速率、高容量的新型网络结构, 其本身是可以动态地不断扩展、自组网、自配置、自动修复、自我平衡的。针对以上特点,工业界标准化组织已经开始着手为其制定新的标准, 以满足各种覆盖与网络业务方面的需要。其 中, IEEE 802. 11, IEEE 802.15以及IEEE802.16 等都建立了为WMN制定新标准的工作组。下面将就802.11标准对WMN 结构的支持进行简要介绍。最初 的IEEE 802. 11业务主要限于数据传输, 速率最高只能达到2Mb/ s, 但是, IEEE 802. 11 b 和802. 11 a/ g 的峰值速度可以分别达到11 Mb/ s 和54M b/ s, 而IEEE802. 11n 则期望可以达到100 M b/ s, 这就使得现有的电缆和DSL 连接限制了家庭和办公网络的连接速度。倘若能够跳过这些有线部分, 则可以克服这一问题, 同时减少铺设和维护以太网电缆的开销。至此, WMN 的思想被引入。虽然可以用802. 11 点对点模式来构建无线Mesh 网络,但是其MAC 协议的不可伸缩性使得网络的性能很差,不适合多跳的WMN。为了将其商用,IEEE 新成立了一个IEEE802. 11s 子工作组, 制定标准化的扩展服务集( ESS ）, 即IEEE 802. 11s 专门为WMN 定义了MAC 和PHY 层协议。在这样的网络中,WLAN接入点可以像路由器那样转发消息。 在IEEE 802. 11s 工作组中,M esh 网络可以是2 种基本结构: 基础设施的网络结构和终端设备的网络结构IEEE 802. 11s 工作组为支持这两种结构制定了新的规范。在基础设施的网络结构中, IEEE 802. 11s 工作组定义了一个基于IEEE 802. 11 MAC 层的结构和协议, 来建立一个同时支持在MAC 层广播/ 多播和单播的IEEE802. 11 无线分布式系统( WDS）; 而在终端设备的网络结 构中, 所有设备工作在点对点模式下的同一平面结构上使用IP 路由协议 。客户端之间形成无线的点到点的网络, 而不需任何网络基础设施来支持。4.WiFi-Mesh 网络规划流程进行 WiFi-Mesh 无线网络规划，首先要确定准确的覆盖目标、网络设计容量以及网络的预期质量。包括 ：哪些区域需要覆盖、会有什么样的应用、用 户量、服务质量要求、覆盖区域地图、现有资源、附近是否有干扰源、硬件设备选型、回传链路及传输选择等。之后要进行现场勘测，了解实地的情况获得现场环境参数、传输及点位等资源情况，特别是AP安装点选择、障碍物、干扰信号。最后才能进行详细的设计和仿真。并且在实施和校正阶段，需要根据现场情况调整 ；测量实际覆盖效果，若不满足则进行相应调整和优化。图 3为 WiFi-Mesh无线网络规划流程图。5. WiFi-Mesh 网络规划方法 结合以往建设经验以及试验网结果，本文对 WiFi-Mesh 网络规划方法中以下方面进行了分析和总结。5.1 组网方式 建议采用双载频和多载频技术组网，不采用单载频方式。考虑到容量和成本的均衡，建议先以 802.11a/g 双频模式进行部署，在对带宽有较高要求的区域采用802.11n 进行部署以提高容量。 图3 WiFi-Mesh无线网络规划流程图。5.2 网络规划中簇的划分 在组网时建议以簇为单元进行规划，每个簇最多不超过 20个节点。另外在每个单独的 Mesh 簇都有一个或多个根节点 AP 接入有线网络，这样每个 AP节点都有主用和备份的链路。整个Mesh网络由多个这样的高可靠的二期额保证带宽的Mesh簇组成。5.3 跳数选择 多跳为无线 Mesh 网增加了灵活健壮性，但是也对网络的时延以及吞吐量均产生影响，因此跳数的选择需要均衡考虑。 时延是影响实际 Mesh 组网的重要因素之一，时延一方面会影响到相关业务的 QoS 性能，另一方面链路层的时延过大也会间接影响到基于 TCP 的业务的流量性能。图4为某实验网中不同类型的组网条件下，通过加载不同程度的符合已全面考查 Mesh 组网的双向时延性能。（a）为单频各跳各种业务的时延趋势图，（b）为双频各跳各种业务的时延趋势图。从图4中可以看出,无论单频组网还是多频组网，跳数的增加对于 Mesh 网的时延有较大的影响，大负荷下5跳时的时延可以达到单跳时延的10余倍，即每增加一级无线回传链路，时延都会较大程度的增加。 图5为某试验网中单双频组网条件下不同跳数吞吐量对比表，从以上测试结果中可以看出，当单链情况下时，3 跳 50m 是单跳 50m 处的吞吐量的 1/5， 性能下降较为明显。因此综合考虑多条的传输带宽和时延，建议Mesh组网时通常单挑链路3跳为宜，最多不超过5跳。 图4（a）单频组网各跳各种业务时延趋势图 图4（b）双频组网各跳各种业务时延趋势图5.4 频点选择及规划 802.11a 工作在 5.8GHz 频段，802.11b/g 工作在2.4GHz 频段，全部采用非授权许可频段，无须向国家相关管理部门申请频段使用。 图5 单双频组网条件下不同条数吞吐量对比表建议最好采用 5.8GHz 频段做无线回传，2.4GHz做无线网络覆盖。这是因为目前绝大多数终端均工作在 2.4GHz 频段，5.8GHz 的终端设备相对较少。回 传由于需要更可靠的保证，采用频谱相对纯净的 5.8GHz频段。但由于 5.8GHz 频段较高，传输距离较短，因此 5.8GHz覆盖面积需要在网络规划给与充分考虑。对于 2.4GHz 频段，存在 3 个非重叠的信道 ；对于5.8GHz 频段，存在 5 个非重叠的信道，如图6所示。 图6（a）2.4GHz频段存在的信道 图6（b）5.8Ghz频段存在的信道在进行频点规划时，非重叠信道可以进行复用，但确保使用同一信道的 AP 之间有足够远的距离，相邻节点不要采用同样的信道。图 7（a）为 802.11a 频点规划示意图，图 7（b）802.11b/g 的频点规划示意图 图7（a）802.11a频点规划示意图 图 7（b）802.11b/g 的频点规划示意图5.5 站址选择与安装在进行站址选择时，尽量遵循以下的原则：（1） 站址尽量选择在交通便利、供电可靠、资源丰富的地方 ；（2） 尽量使无线接入信号视距传播，避开密集树林高楼等遮挡。对于回程无线信号要求保证直线可视传输；（3） 根节点要求确认传输条件，回传节点要求确认供电条件 ；4） 对于街道，可以选择在道路的交通信号灯或者路灯灯杆上。取电则使用各类灯杆上的 220V 交流电，但需要确定是否能够提供 24h 持续供电的电源，以及能否从灯杆顶端穿引电源线 ；（5） 对于沿道路部署，可采用链状组网。并且在十字路口四角的灯杆中选择视野最好的位置，便于与来自道路上不同方向的设备建立无线回程 ；道路过长、无法形成 Mesh 拓扑时，可以选择周边具有一定高度且具有良好视距的建筑物，保证同链型拓扑的设备建立冗余的无线回程。在占据路口和占据好的商业覆盖位置间进行合理的选取，保持相互间的平衡 ；（6） 设备安装时，对于街道，为了减少树木的衰减，尽量在路的两侧交替的放置 Mesh AP 节点设备，这有利于在树木茂密的区域保证视距条件 ； 图8 接到两旁交替放置Mesh AP 节点（7） 相邻站点的天线高度尽量保证一致 ；（8） 当 AP 天线置于楼顶或灯杆时，同时要考虑 AP的防雷。5.6 天线的选择 对于天线的选择，主要分为室外天线的选择和室内天线的选择。对于室外天线，在网络建设初期和发展期更多地考虑无线覆盖面积，所以无线回传链路要采用大增益的天线扩大覆盖面积。由于天线的水平波束宽度变窄以及室外空旷环境的反射较少，所以要求天线的极化方向和高度尽量一致。 对于室内天线选择，要根据不同的环境选择不同的天线，一般全向天线用于典型的办公室和商务楼的无线覆盖，扇区天线比较多地用于室内环境比较复杂的环境， 如超市，通常有一排一排高大货架，选用定向天线互相对打，就可以在货架之间获得很好的覆盖效果。如图 9 所示。 图9 定向天线相互对打方式5.7 AP 站间距 AP 的站间距和物理地形密切相关。根据实际测试结果，通常站点间距保持在 300m 左右。但用户密度也决定了站点密度，如果某一区域的用户密度较高，那么设计时就要首先考虑节点密度，适当增加站点数量，缩小站间距。因此一般对于密集城区考虑 AP 间距在 150200m 之间。但在实际操作的时候，AP 的具体数量是和实际环境以及 AP